Haifischhaut und Biberzahn: Wissenschaftler der Universität Hannover machen sich Prinzipien aus der Natur zunutze, um mit bionisch inspirierten Werkzeugen bionisch inspirierte Oberflächen zu erzeugen, die reibungsmindernd wirken.
Riblets auf der Haut befähigen den Hai, verwirbelungsarm durchs Wasser zu gleiten. Spanend auf Metalloberflächen aufgebracht, können derartige Strukturen etwa in Turbinen Turbulenzen reduzieren und laminare Strömungen unterstützen.
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Die Natur ist für Ingenieure eine schier unendlich große Schatzkammer, voller Anregungen für technisches Handeln, voller Konstruktionsprinzipien, die es weitgehend noch zu entdecken gilt. Etwa den selbstschärfenden Aufbau der Zähne von Nagetieren. Die Springer-Autoren Werner Nachtigall und Alfred Wisser erklären dieses Phänomen in "Bionik in Beispielen": "Die Zähne … von Nagern sind extremen abrasiven Belastungen ausgesetzt. Diese werden aktiv zur Selbstschärfung der Zähne benutz. Das weich-elastische Dentin wird nicht vollständig vom harten Schmelz umhüllt, sodass es gezielt abreiben kann. Die Mikrostruktur des Schmelzes gewährleistet hohe Härte und Zähigkeit, sodass dieser dauerhaft eine filigrane, scharfe Kante an der Zahnspitze ausbilden kann, ohne spröde zu brechen" (Seite 114). An anderer Stelle erläutern sie den Haihauteffekt, der bei den schnellen Hochseeschwimmern den Reibungswiderstand im Wasser verringert, indem Riefen (Riblets) auf den Schuppen turbulente Schubspannungen auf der Oberfläche reduzieren (Seite 210).
Ingenieure suchen seit Längerem solche "Erfindungen" der Natur technisch zu nutzen. Nachtigall und Wisser berichten, dass ein Haifischhautüberzug mit Riefenfolien den Treibstoffverbrauch von Großflugzeugen um etwa 2 Prozent verringern könne – aber die Folien-Technologie habe sich bislang nicht durchsetzen können. Hemmnisse wie Versprödung des Materials, Zwang zum regelmäßigen Austausch der Folien, lange Beklebungszeit, hätten dieser Bionik-Anwendung im Wege gestanden.
Haifischhaut und Biberzahn
In dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt "Flexible Mono- und Multilayermikroschleifwerkzeuge für die Ultrapräzisions- und Mikrobearbeitung" haben Wissenschaftler am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Universität Hannover jetzt die bionischen Effekte Haifischhaut und Biberzahn miteinander kombiniert. "Die Funktionalisierung von Oberflächen ist eine Schlüsseltechnologie, um die Leistung technischer Komponenten in den nächsten Jahrzehnten zu steigern", sagt Rolf Hockauf, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IFW. Gemeinsam mit Kollegen vom Institut für Mikroproduktionstechnik (IMPT) hat er ein neuartiges Werkzeugkonzept entwickelt, um technische Oberflächen mit kleinen Strukturen versehen zu können.
Neuartiges selbstschärfendes Werkzeug
Um funktionalisierte, der Natur entlehnte Oberflächen zu erzeugen, die reibungsmindernd wirken, bedürfe es spezieller Mikroschleifprozesse, und die aktuellen Arbeiten am Institut hätten zum Ziel, selbstschärfende Werkzeuge für derartige Feinstbearbeitungsverfahren zu entwickeln, schreiben die Wissenschaftler in einem jüngst publizierten Fachartikel. Die Steigerung von Wirkungsgrad und Effizienz spiele etwa bei Strömungsmaschinen wie Turbinen und Pumpen in Kraftwerksanlagen eine große Rolle. Hier habe die Reduzierung der Reibungsverluste bei der Energieumwandlung große Auswirkungen auf die Verbesserung des Wirkungsgrades, und eine Schlüsseltechnologie hierfür sei die Erzeugung von Riblets durch Schleifen mit Multilayerwerkzeugen.
Mit den am IMPT genutzten Dünnschichttechnologien konnten die Wissenschaftler in dem nun abgeschlossenen Forschungsprojekt ein neuartiges Mulitlayerwerkzeug entwickeln, dass sich immer wieder selbst schärft. "Wir nutzen bei den mehrschichtigen Werkzeugen das sogenannte Biberzahn-Prinzip, bei dem eine Schicht härter ist als die andere und durch Verschleißeffekte die Scheide kontinuierlich geschärft wird", erläutert Hockauf. Die Forscher konnten zeigen, dass ihr neuartiges Werkzeugkonzept aus Stütz- und Abrasivschicht in der Lage ist, ein selektives Verschleißverhalten und somit den Selbstschärfe-Effekt abzubilden.
Herstellungsprozess der Multilayerewerkzeuge: Das Prinzip des Schichtenaufbaus eines Säuger- bzw. eines Nagerzahnes wurde in Form von funktionellen technischen Schichten umgesetzt. Die hierarchische Mikrostruktur des Schmelzes wurde durch eine keramische Mehrlagen-Nanokompositarchitektur (B) nachgebildet. Die nur 4 μm starke Schicht zeigt herausragende Zähigkeit bei sehr hoher Härte. Das Stahlsubstrat wurde so angepasst, dass sich die Schneide durch abrasive Belastung selbst schärft.
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